1、文章编号：1000-8055（2023）06-1423-09doi：10.13224/ki.jasp.20210711叠层式箔片动压气体推力轴承承载特性张镜洋1，孟光荣1，陈蓓曦2，吕元伟1，张靖周3，罗欣洋4（1.南京航空航天大学航天学院，南京210016；2.西北工业大学伦敦玛丽女王大学工程学院，西安710072；3.南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016；4.中国航空工业集团有限公司金城南京机电液压工程研究中心航空机电系统综合航空科技重点实验室，南京211106）摘要：为揭示叠层式箔片结构对动压气体推力轴承承载性能的强化机制，建立了该结构静力学有限元仿真模型及弹流润滑分析方法，
2、研究了叠层式箔片结构刚度随载荷的变化及楔形气膜间隙特征参数的演化规律。结果表明：随着载荷升高，叠层式结构刚度增幅呈先小后大的非线性特征，且周向局部刚度大小交替变化。这导致轴承楔形气膜间隙特征参数随承载力增大而明显变化，承载力从 15N 增大到 75N，楔形高度可从 45m 降低至 16.8m，节距比则先增大后减小。与承载力相同条件下的波箔型轴承相比，叠层式箔片动压气体推力轴承气膜压力分布会出现承载力强化的双峰值，且最小气膜厚度可增大 35%至 50%，可有效降低转静子间的碰磨概率。关键词：气体箔片推力轴承；叠层式结构；自适应变形；结构刚度；楔形特征参数中图分类号：V229+.2；TH33.35
3、文献标志码：ALoadingcapacityofmulti-layerfoilgasthrustbearingZHANGJingyang1，MENGGuangrong1，CHENBeixi2，LYuanwei1，ZHANGJingzhou3，LUOXinyang4（1.CollegeofAstronautics，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China；2.QueenMaryUniversityofLondonEngineeringSchool，NorthwesternPolytechnicalUnive
4、rsity，Xian710072，China；3.CollegeofEnergyandPowerEngineering，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China；4.AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonAeroElectromechanicalSystemIntegration，JinchengNanjingEngineeringInstituteofAircraftSystems，AviationIndustryCorporationofChina，
5、Nanjing211106，China）Abstract:Inordertorevealthemechanismofstrengtheningtheloadingperformanceofmulti-layergasfoilthrustbearing，thefiniteelementmethodconsideringelastohydrodynamiclubricationinmulti-layer gas foil thrust bearing was established.The variation of stiffness with different loads and theevo
6、lutionofwedge-shapedfilmscharacteristicparameterswerestudied.Resultsshowedthatthestiffnessofthemulti-layerfoilpresentedanonlineartrendofincrementwiththeincreaseofloadcapacity，alsothe收稿日期：2021-12-15基金项目：航空基金（201928052008）作者简介：张镜洋（1981），男，副教授、硕士生导师，博士，主要研究方向为流体机械和传热与传质。E-mail：引用格式：张镜洋,孟光荣,陈蓓曦,等.叠层式箔片动
7、压气体推力轴承承载特性J.航空动力学报,2023,38（6）：1423-1431.ZHANGJingyang,MENGGuangrong,CHENBeixi,etal.Loadingcapacityofmulti-layerfoilgasthrustbearingJ.JournalofAerospacePower,2023,38（6）：1423-1431.第38卷第6期航空动力学报Vol.38No.62023年6月JournalofAerospacePowerJune2023variationamplitudeofstiffnessofthelaminatedfoilkeptinalowlev
8、elatsmallloadcapacity,thenitbecamelargeastheincreaseoftheloadcapacity,andthestiffnessofthecircumferentialdirectionchangedalternately.Itresultedinvariationofthecharacteristicparametersofwedge-shapedclearancewiththeincreaseofthecapacity.Thewedgeheightattenuatedfrom45mto16.8mandthepitchratiofirstincrea
9、sedandthendecreasedcorrespondinglywhenthebearingcapacityvariedfrom15Nto75N.Basedon the characteristic change of wedge-shape clearance under different loads，the gas film pressuredistributioninducedadoublepeak，whichenhancedloadcomparedwiththewavefoilbearingunderthesamebearingcapacity，andtheminimumgasf
10、ilmthicknesscanbeincreasedabout35%to50%，whichsignificantlyreducedthecollisionandwearprobabilitybetweenrotorandstator.Keywords:gasfoilthrustbearing；multi-layerstructure；adaptivedeformation；structuralstiffness；wedgecharacteristicparameters箔片型动压气体轴承具有摩擦功耗低、极限转速高、稳定性好、自适应负载等优势，在机载小型燃机、制冷透平机、风机等高速旋转机械领域中
11、极具应用优势1-3。动压气体轴承利用旋转轴面黏性作用带动楔形间隙内气膜周向流动形成动压压缩效应而产生承载力，利用柔性箔片弹性作用提高气膜承载稳定性。因此，箔片型动压气体轴承间隙气膜流动与箔片结构变形存在强流固耦合作用4-5。在气体箔片轴承润滑性能影响研究方面，Iordanoff6建立了波箔型轴承的轴瓦箔片变形耦合气膜流动 Reynolds 方程的承载性能分析方法，分析了由箔片外形结构决定的气膜流动间隙特征参数变化对气膜承载力的影响，结果表明微小尺寸的楔形间隙参数变化会导致气膜压力成倍变化。Dykas7的实验结果也证明了承载性能对楔形间隙参数变化的敏感性。侯平安等8数值分析了不同顶箔几何参数下的
12、承载能力，发现了存在最佳楔形高度使气膜承载力最大。徐方程等9-10则通过数值仿真和实验验证了某波箔型动压气体推力轴承楔形高度为 20m 时承载力可达最大。学者也就箔片变形对气膜承载性能的影响开展了深入研究。Lehn 等11建立了轴承间隙流动和波箔型轴承箔片变形弹流润滑仿真分析方法，分析结果发现支撑波箔凹凸形状会影响顶箔局部变形从而形成波状气膜间隙，这对气膜流动和压力分布存在明显影响。胡小强等12的弹流润滑分析结果也表明推力轴承箔片的局部变形会产生二次收敛的楔形，而使得气膜压力出现双峰分布并且提高了承载能力。以上研究表明，箔片外形结构决定的楔形气膜间隙参数直接决定了该类轴承气膜承载性能，并且箔片
13、变形对轴承气膜压力也存在明显影响。因此，研究者通过改变箔片结构外形及其刚度分布的方法来改善轴承承载性能，由此发展出诸多箔片结构形状13-14和箔片支撑方式15-16。其中值得关注的是，近年来诸多学者认为推力轴承采用叠层式箔片结构10,17-19具有良好的工作环境适应性。叠层式箔片动压气体推力轴承各层箔片结构形状复杂、刚度各异，且相比传统波箔型结构，其形变量显著提升，然而这种箔片结构特征变化对轴承承载性能的影响内因还缺乏细致研究。因此，进一步阐明叠层式箔片动压气体推力轴承弹流润滑演化机制，揭示其对动压气体推力轴承承载特性的影响机理，有利于掌握该类轴承工程设计优化策略。基于此，以叠层式箔片动压气体
14、推力轴承为研究对象，采用有限元法分析叠层式箔片结构刚度及其分布随载荷的变化规律。进而应用弹流润滑分析方法，数值研究该类轴承在承载力变化下各层箔片变形分布变化，以及由变形引起的楔形气膜间隙特征参数和气膜压力演化机理，并对比传统波箔型结构，阐明其对承载性能的影响机制。1研究模型1.1模型创建及结构参数如图 1 所示，叠层式箔片动压气体推力轴承由四层箔片组成。顶箔呈拱状扇形，背板为平板，用于焊接顶箔。中箔正反两面具有相间分布的凸块，并与背板和底箔接触。底箔上与轴承座接触侧有翘起舌片，和顶箔共同承担预紧和起飞阶段变形。除顶箔外，各层箔片外缘具有用于周向固定的键位。图中 R、Z 分别表示半径、周向和轴向
15、方向坐标，h 为气膜厚度，h1为入口处气膜厚度，h2为最小气膜厚度，为顶箔张角。表 1 为推1424航空动力学报第38卷力轴承几何参数。楔形高度和节距比表达如下：h3=h1h2（1）b=/（2）其中 h3为楔形高度，b 为节距比。1.2计算方法叠层式箔片动压气体推力轴承弹流润滑计算中，包括由转静子间隙剪切流动组成的流体域和多层弹性箔片受力和变形构成的固体域。流体域利用可压缩理想气体 Reynolds 方程进行描述11-12，采用有限差分法求解。其无量纲化形式如下：1 r r(rh3 p r)+1 r3(h3 p)=（h）（3）r=R/R2h=h/h3p=p/pa =/0 =/0=60R22/p
16、ah23式 中 无 量 纲 项 包 括，和，其中 h 为气膜厚度，为气体动力黏度，为气体的密度，p 为气膜压力，h3为轴承的楔形高度，R2为顶箔外半径，为转子转速，pa为环境压力，0为空气动力黏度，0为空气密度。作用在固体域箔片上的真实气膜压力 pr与变形量 的平衡关系用虚功原理式（4）描述，采用有限元法进行数值仿真分析。采用罚函数法分析箔片之间的接触关系，采用非线性求解器NASTRAN求解顶箔和底箔大变形问题，迭代计算节点变形量。v（）TdV=A0.5t0.5tz（）TDz（）dZdA=A（）TDbdA=Apr（w）dA（4）=zD Db=t3D/12wpr=p pah式中；t 为箔片厚度；D 箔片的刚度矩阵；为虚位移；为虚应变；为箔片曲率；z 为箔片厚度方向上的变量，其范围为 0.5t,0.5t；A 为积分面积；V 为积分体积；。无量纲气膜厚度 表达如式（5）所示。h=h0/h3+（R,）/h3（5）式中 h0为箔片未变形时的气膜厚度，如图 1 所示，其数值由顶箔网格与推力盘之间的距离决定。由箔片未变形时的无量纲气膜厚度方程与 Reyn-olds 方程联立求解得到 p0，并计算得到